第37卷第5期农业工程学报V ol.37 No.5
2021年3月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2021 157 干旱半干旱区落叶期农田防护林防风效果的风洞试验研究 赛克1,2，赵媛媛1,2，包岩峰3，刘辰明4，丁国栋1,2※，高广磊1,2（1. 北京林业大学水土保持学院，水土保持国家林业和草原局重点实验室，北京100083；
2. 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，盐池751500；
3. 中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京100091；
4. 内蒙古自治区林业科学研究院，呼和浩特010010）
摘要：探究落叶期不同结构乔灌木农田防护林带的空气动力学特征，合理配置林带结构对于减轻风季（10月-翌年5月）干旱、半干旱区农田土壤风蚀灾害具有重要意义。该研究利用风洞模拟技术，以“2行1带”式乔灌木林带为研究对象，按 照1：100的缩尺比例，设计了不同疏透度、不同行距的林带模型，分析不同结构林带的风速廓线、防风效能和有效防护比，揭示落叶期不同结构林带空气流场特征和防风效果。结果表明：乔、灌木林带对空气流场垂直结构产生了不同影响，乔木 林带对气流具有分层作用，风影区位于林带后5倍树高处（5H），灌木林带对气流具有抬升作用，风影区紧邻林带；疏透度
较低的林带风速削弱作用更明显，疏透度45%、58%的乔木林带主要防风效能区间分别为20%～25%和15%～20%，疏透度36%、54%的灌木林带主要防风效能区间分别为10%～20%和5%～15%；在疏透度相近的条件下，行距对乔木林带防护效
果的影响较小，在相同防风效能下不同行距乔木林带的累积有效防护比相差不到5个百分点，行距对灌木林带防护效果能
产生较明显的影响，4 cm行距灌木林带相比2.5 cm行距林带在相同防风效能下的累积有效防护比高18～25个百分点；本
研究中，乔木林带和灌木林带最优配置均为低疏透度（乔木45%、灌木35%）宽行距（乔木6 cm、灌木4 cm）模式。因此，在干旱、半干旱地区构建农田防护林带时，应当充分考虑林木落叶期的结构特征，针对乔木、灌木各自的特点有针对性地
进行搭配，在合理的林带疏透度范围内，适当增大林带行距，以提高林带的防风能力，保障林木的健康生长。
关键词：试验；风洞；有效防护面积；防风效能；林带结构；株行距；风速廓线
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018
中图分类号：S721 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2021)-05-0157-09
赛克，赵媛媛，包岩峰，等. 干旱半干旱区落叶期农田防护林防风效果的风洞试验研究[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：157-165. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018 托玛琳水杯
Sai Ke, Zhao Yuanyuan, Bao Yanfeng, et al. Wind-tunnel tests study of shelter effects of deciduous farmland shelterbelts in arid and semi-arid areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 157-165. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.018
0 引 言
全球每年由于荒漠化造成1 200万hm2可耕地流失，中国干旱、半干旱地区地处受风蚀荒漠化威胁的前沿地带，由于气候条件恶劣，农田土壤风蚀、沙化现象严重，给当地农牧民的生产生活造成了不利影响[1-2]。以农田生态系统为主要防护对象的农田防护林能够起到降低风速、改善农田小气候环境的作用，为农田生态系统提供防风固沙、涵养水源、保持水土等生态功能[3-5]。而研究农田防护林带结构
对空气流场的影响，能够为干旱、半干旱地区科学构建农田防护林提供理论依据。
林带结构是影响农田防护林防风能力的一个关键因素，而林带结构受多种因子影响[6]。已有研究表明，疏透
收稿日期：2020-10-11 修订日期：2021-02-17
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0500802）；国家自然科学基金项目（31600581）；中央引导地方科技发展项目“浑善达克沙地生态文化产业关键技术研究与示范”
作者简介：赛克，博士生，主要研究方向为荒漠化防治。清理块
Email：*****************
※通信作者：丁国栋，博士，教授，主要研究方向为荒漠化防治。Email：***************度[7-9]、林分密度[10-12]、树种组成[13-14]、配置方式[15-16]、林带高度[12]、林带宽度[17]、林带间距[18-19]等结构因子均对防护林的防风能力具有不同程度的影响。其中，疏透度是影响林带防风能力的最为直接的因子，大部分研究通过调整林分密度来改变林带的覆盖度与疏透度。有研究认为，在一定覆盖度范围内，林网内的防护面积会随着林带覆盖度的增加而增大，而当林带覆盖度低于0.4时，植被的防风固沙效果会受到严重影响[20-21]。然而从另一个角度考虑，受风沙危害严重的地区水热条件往往较为苛
刻，难以承载高覆盖度的树木生长。进入21世纪后，国内学者提出了低覆盖度治沙理论，认为行带式灌木配置的防护林具有规则稳定的流场结构，在较低密度下也能有效降低风速并控制土壤风蚀[22]。根据行带式防护林的结构特点，可以通过分别调整株间距和行间距来改变林带的疏透度和林分密度，从而能够实现较低林分密度和较低林带疏透度的统一[23]。其中“2行1带”式防护林配置具备良好的应用前景，同时也是目前国家在干旱、半干旱区重点推广的造林模式之一[24]。但该理论主要应用于防风固，在农田防护林中应用较少。目前在国内干旱、半干旱地区营造的农田防护林仍多是以速
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生乔木树种为主，灌木林的应用则较少，有待于进一步研究。此外，大多数研究都是针对生长期的林木，而风沙活动强烈的时期，同时也是农田土壤最易遭受风蚀侵害的时期，通常对应林木的落叶期，落叶期防护林带对空气流场影响的相关研究则较为少见。
因此，本研究以落叶期的乔木与灌木农田防护林为研究对象，利用风洞模拟技术，探索不同株间距和行间距的“2行1带”式农田防护林带的防风能力，观测其防护范围内的风速廓线、防风效能与有效防护面积，总结不同结构乔木、灌木林带的流场特征，以期为干旱、半干旱地区农田防护林的配置结构提出优化建议。
1 材料与方法
1.1 试验设备
本研究在北京林业大学位于鹫峰实验林场的风沙物理学试验风洞中进行，该风洞为标准直流式低速气动风洞，主要由洞体和测控系统组成（图1a、1b）。风洞全长24.5 m，其中试验段长12.0 m，横截面0.6 m×0.6 m。根据TSI生产的IFA300型热膜风速仪监测结果，风洞内侧壁边界层厚度小于0.05 m，截面内具备足够的空间进行模型试验；风洞试验段底面边界层厚度约0.25 m，满足模型试验要求[25]。试验段全段铺设3 mm厚ABS板材作为床面以固定模型。风机风速范围3～40 m/s连续可调，有效截面风速脉动小于1.5%。测控系统由变频电机、控制柜、三维移测系统以及KIMO热线风速仪组成。热线风速仪依据热平衡原理，利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速，风速变化会改变金属丝的温度，从而产生电信号获得风速[26]。
1.动力段
2.过渡段
3.稳定段
4.收缩段
5.试验段
6.扩散段
7.尖劈
8.粗糙元
9.三维移动测量系统10.KIMO热线风速仪11.林带模型12.风洞中轴面弹性垫片
1.Power section
2.Transition section
3.Stabilization section
4.Contraction section
5.Test section
6.Duffusion section
7.Spires
8.Roughness elements
9.3D displacement measuring system 10.KIMO hotline anemometer 11.Sherterbelt model12.Middle axis section of wind-tunnel
图1 风洞试验系统
Fig.1 Wind tunnel experimental system
相比普通毕托管，热线风速仪能够实现连续测量，量程较大，灵敏度高，可测量0.15～3.00 m/s范围的微风
速，精度为±0.03 m/s；大风量程为3.1～30.0 m/s，精度为±0.1 m/s。三维移动测系统可以实现对风洞试验段内x（沿风洞轴向前后）、y（横截面左右）、z（高度）3个方向上的风速测量，其中x可以根据需要测量300 cm的范围，y以风洞中线为轴可以测量左右各25 cm范围，z可以测量0.8～30 cm高度内任意高度处的风速。为便于描述，本研究中x方向以林带所在位置为0，上风向（林带前）为负值，下风向（林带后）为正值，风洞中轴处y值取25 cm，z轴以床面为0。
1.2 林带模型设计
本研究采用塑胶仿真树木模型，以抗旱、耐寒的乡土树种白榆（Ulmus pumila L.）和柠条（Caragana korshinskii Kom.）分别作为乔木树种和灌木树种的原型，在设计上参考原型植株常见的大小及其冬季落叶期的形态，缩放比例为1:100，设置模型灌木树高3 cm，冠幅直径3 cm，乔木树高10 cm，枝下高4 cm，冠幅直径5 cm，林带模型阻塞率小于5%，满足风洞模拟试验几何相似条件[25]。结合野外实测数据与相关文献[27]确认本研究的目标风速廓线，在风洞内设置尖劈及粗糙元（图1a），在对照条件下观测风洞试验段风速廓线，与目标廓线进行拟合，若决定系数（R2）过小则调节尖劈和粗糙元的相对位置后重新观测，直到R2达到0.8以上[25]。本研究中最终采用的风速廓线R2达到了0.95，由公式（1）计算雷诺数Re=3.2×105，达到了自模拟范围，满足风洞模拟试验运动相似条件[25]。
Re
u d
v
（1）
式中Re为雷诺数；u为额定风速，本研究中为8 m/s；d 为流管当量直径，本风洞为0.6 m；v为空气动力黏度，取试验条件下近似值1.5×10-5 m2/s。
以“2行1带”式防护林作为基本配置，以株行距作为变量设计不同结构的林带模型，根据国家相关标准《造林技术规程》（GB/T_15776-2016）关于造林密度的规定设计林带的株行距（栽植距离，即树干中点之间的距离）：乔木之间，宽距6 cm，窄距4 cm；灌木之间，宽距4 cm，窄距2.5 cm。分别根据不同的株距、行距进行搭配，按“品”字形布设树木模型，用热熔胶将其固定在床面上，得到乔木林带模型4组，灌木林带模型4组，共计8组不同结构的林带模型。通过数字图像处理法[28]，在Adobe Photoshop CC平台上统计林带模型照片中前景（树木本体）或背景（林带孔隙）与林带模型整体的像素值之比，计算不同林带的疏透度和覆盖度等参数，得到各林带模型的基本参数（表1）。
1.3 风速测定
为了直观描述林带相对防护距离，并与野外植被原型建立尺度转换，x轴方向上测点位置用仿真植株高
度（H）的倍数表示[17]。沿垂直和水平两个平面观测风速，根据相关文献[29]与预试验风速梯度变化规律布设测点。垂直面为了最大程度减小风洞壁的边际效应影响，选择沿风洞中轴的垂直断面，乔木林带测点高度分布为1、2、3、4、6、8、10、12、14、16、20 cm，x轴分布
第5期 赛 克等：干旱半干旱区落叶期农田防护林防风效果的风洞试验研究
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为-5H 、-3H 、-H 、H 、2H 、3H 、4H 、5H 、6H 、7H 、8H 、9H 、10H 、11H 、12H 、13H 、15H ；灌木林带高度分布为1、2、3、4、6、10、14、20 cm ，x 轴分布为−10H 、−5H 、−3H 、−H 、H 、3H 、6H 、9H 、12H 、15H 、20H 、25H 、30H 、40H 。选择水平测量面时，优先考虑对农田土壤风蚀影响更为直接的近地表高度，结合测量仪器的尺寸以及模型相似比，选择距床面2 cm 高度水平断面作为水平测量面，该高度对应野外高度为2 m ，距离地表较近，同时也便于与领域内其他研究相互对照[26]，y 轴在0～50 cm 范围内，按照5 cm 间隔设置测点，乔木林带x 轴测点分布为−5H 、−3H 、−H 、H 、3H 、5H 、7H 、9H 、11H 、13H 、15H ，灌木林带为−10H 、−5H 、−3H 、−H 、H 、3H 、5H 、7H 、9H 、11H 、13H 、15H 、20H 、25H 、30H 、40H 。
表1 不同结构林带模型基本参数
Table 1 Basic parameters of shelterbelt models of different
structures
林带编号 Shelterbelt No.
焊接衬垫林带类型 Shelterbelt type 株距×行距
Plant space×Row space
/cm×cm 疏透度Porosity/% 1 乔木 6×6 59.50 2 乔木 4×4 45.47 3 乔木 6×4 56.25 4 乔木 4×6 45.32 5 灌木 4×4 54.23 6 灌木 2.5×2.5 36.30 7 灌木 4×2.5 54.10 8
灌木
2.5×4
35.82
通过三维移测系统移动风速仪（图1c ），测定净风流场，风速仪1 s 可记录一个瞬时风速，每个测点停留30 s 取平均值作为该点测定风速。以风洞中轴面25 cm 高度处测得的8 m/s 的风速值作为额定风速，该风速对应实际风力5级以上，可造成土壤风蚀，是干旱、半干旱地区野外常见的风速[29]。观测空风洞中试验段横截面的各测点风速作为对照风速（CK ）。 1.4 数据分析
1.4.1 风速廓线模拟
在本研究中，风洞内部气流不存在温度梯度，呈中性层结，在对照条件下风速廓线满足速度对数分布律[28,30]，如公式（2）。
*0()ln u z
u z k z （2）
式中u (z )为高度z 处的风速，m/s ；*u 为摩阻流速，m/s ；z 0为地表粗糙度，表示风速为0的高度，cm ；z 为观测点高度，cm ；k 为卡门常数，一般取0.4。
本研究中以空风洞下的风速廓线作为对照，经测定计算得对照条件下摩阻流速为0.244 m/s 。在设置好林带模型后，根据实际观测数据绘制风速廓线图，并进行对数拟合计算。风速数据的基础统计与风速廓线图像的绘制在Microsoft Excel 2013中完成，对数拟合系数的计算在IBM SPSS Statistics 22.0平台上完成。 1.4.2 防风效能计算
防风效能是衡量林带对气流削减程度的重要指标[28,30]，
其计算公式如下：
0,0,,,,,0,0,100%z x y z
x y z z
u u E u
（3）
式中E x,y,z 为坐标（x,y,z ）处的防风效能，%；,,x y z u 为坐标（x,y,z ）处的平均风速，m/s ；0,0,z u 为旷野同一高度处的对照风速，m/s 。
本研究对防风效能的基础数据统计在Microsoft Excel 2013中完成，利用Golden Software Surfer 13.0进行数据的可视化处理，以实际测点为基础，采用KRIGING 插值法进行插值[29]，根据测点分布，为便于描述与对比，设定插值范围为：x 轴乔木林带为−6H ～16H （−60～160 cm ），灌木林带为−10H ～40H （−30～120 cm ）；y 轴为0～50 cm ；z 轴为0～30 cm 。 1.4.3 有效防护面积计算
林带的存在改变了空气流场分布，具有一定的防风效能，在林带前后不同位置的防风效能也存在不同，达到某防风效能区间的区域面积称为该防风效能区间对应的有效防护面积，达到或高于某防风效能值的面积占防护区（测定区域）总面积的比例称为该防风效能对应的累积有效防护比[29]，计算如式（4）。有效防护比能够更加直观地反应林带对空气流场的影响程度和涉及的区域面积。
max
100%E i
i m
S
P m S
（4）
式中P (m )为防风效能大于等于m 时的累积有效防护比，%；S i 为防风效能区间为i 的有效防护面积，cm 2；E max 为林带后防风效能最高值，%；S 0为防护区（测定区域）总面积，cm 2。
在防风效能可视化的基础上，本研究利用Adobe Photoshop CC 平台对不同结构防护林带在不同防风效能下对应的有效防护面积进行测度，在Microsoft Excel 2013中完成有效防护比的计算与图像的绘制。
2 结果与分析
2.1 不同结构林带风速廓线特征
由乔木林带的风速廓线图（图2）可以看出，对照、−3H 以及15H 处的风速廓线接近对数曲线，通过对数拟合可知其符合对数分布律（表2，P <0.05），其中对照及林带前（−3H 处）风速廓线拟合优度较高，达0.949～0.974，15H 处为0.809～0.853。气流在林带前（−3H 处）风速分布与对照相似，但整体偏低。在穿过林带后风速廓线发生了明显的变化：3H 处0～5 cm 高度范围内风速随高度的增加而大幅降低，5 cm 以上风速随高度的增加而快速升高，到10 cm 左右风速廓线的走势逐渐与对照趋于一致，略高于对照。随着与林带距离的增大，近地表风速逐渐降低，0～5 cm 以内风速随高度升高而降低的幅度也逐渐缓和。到林带后15H 时，风速廓线逐渐转变为单调递增曲线，风速随高度的升高而逐渐增大。
不同结构灌木林带不同位置处风速廓线均满足对数
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分布律（表2，P <0.01），拟合优度均在0.9以上。由灌木林带的风速廓线特征（图3）可以看出，气流在林带前（-3H 处）风速分布特征与对照相似，整体相差不大，略低于对照。在穿过林带后，近地
表风速明显降低，3H 处0～3 cm 范围内风速明显低于对照，同时随高度的升高而大幅增加，到3 cm 以上风速逐渐增大到与对照相同的水平。随着与林带距离的增大，风速廓线斜率逐渐增大，近地表（0～3 cm 范围内）风速逐渐增大。
注：1、2、3、4为林带编号，基本参数见表1。H 为树高，m 。下同。
Note: 1, 2, 3 and 4 refer to shelterbelt No, and the basic parameters are shown in table 1. H is tree height, m. The same below.
图2 乔木林带前后不同距离处的风速廓线
Fig.2
Wind profile at different distances in front and behind of the arbor shelterbelts
安全绳网注：5、6、7、8为林带编号，基本参数见表1。下同。
Note: 5, 6, 7 and 8 refer to shelterbelt No., and the basic parameters are shown in table 1.The same below.
图3 灌木林带前后不同距离处的风速廓线
Fig.3 Wind profile at different distances in front and behind of the shrub shelterbelts
表2 不同结构林带前后不同距离处风速廓线对数拟合系数 Table 2 Log-fitting coefficients of wind profile at different distances in front and behind of differently structural shelterbelts
林带类型 Shelterbelt type
编号 No. 摩阻风速
Friction velocity u *
/(m·s -1)
粗糙度
Roughness z 0/cm 决定系数 Coefficient of determination R 2
CK
0.244± 0.016 (5.611±4.406)×10-5 0.961 1
0.256±0.014 (1.829±1.047)×10-4
0.974 2 0.236±0.018 (9.342±7.907)×10-5 0.951 3 0.238±0.016 (8.055±6.163)×10-5 0.960 −3H 4 0.233±0.018 (7.850±6.859)×10-5 0.949 1 0.386±0.053 (1.028±0.923)×10-2 0.853 2 0.408±0.059 (1.796±1.542)×10-2 0.841 3 0.377±0.061 (8.748±9.404)×10-3 0.809 乔木
15H
4 0.430±0.060 (2.222±1.782)×10-2 0.850 5
0.261±0.015 (1.590±0.940)×10-4 0.981 6 0.297±0.019 (5.690±3.260)×10-4 0.977 7 0.266±0.016 (1.760±1.130)×10-4 0.977 −3H
8 0.271±0.021 (2.550±2.000)×10-4 0.964 5
0.354±0.022 (2.298±1.104)×10-3 0.977 6 0.534±0.071 (3.624±2.420)×10-2 0.904 7 0.409±0.043 (8.076±5.569)×10-3 0.937 3H
8 0.471±0.042 (1.942±0.977)×10-2 0.954 5 0.348±0.014 (2.255±0.701)×10-3 0.990 6 0.445±0.025 (1.510±0.500)×10-2 0.981 7 0.367±0.010 (3.540±0.681)×10-3 0.996 12H
8 0.423±0.021 (1.061±0.331)×10-2 0.985 5
0.337±0.011 (1.839±0.466)×10-3 0.994 6 0.421±0.020 (1.093±0.319)×10-2 0.987 7 0.375±0.007 (4.700±0.645)×10-3 0.998 灌木
25H
8
0.396±0.027
(7.424±3.294)×10-3
0.973
2.2 不同结构林带防风效能
2.2.1 不同结构林带防风效能垂直分布特征
由图4所示，根据防风效能高低，可将不同结构林带防风效能的垂直分布划分出如下几个区域：林带前减速区（区域1），林带后风影区（区域2），林带后加速区（区域3），中性区（区域4）。
乔木林带区域1位于林带前5H 距离内，大致呈现出距离林带越近、越靠近地表，防风效能越高的趋势。区域2位于林带后，影响范围超过15H ，高度在10 cm 以内，其中1H 到8H 距离区间，防风效能随高度呈现先升高后降低的趋势，防风效能峰值出现在林冠高度（5～8 cm ）范围内，低疏透度林带（林带2、4，疏透度约45%）防风效能值可达30%以上，高疏透度林带（林带1、3，疏透度约58%）在20%以上；在林带后8H 距离之后，防风效能的最高值逐渐贴近地表，并随着高度的增加逐渐降低。区域3位于林带后高度10 cm 以上，并随着距离的增加逐渐升高，该区域防风效能出现了负值，说明防护林带对林带后高空处气流产生了一定的加速作用。乔木林带没有明显的区域4分布。
灌木林带区域1位于林带前6H 距离内，10 cm 高度范围内，防风效能随高度增加而降低，整体防风效
能值不高，低疏透度林带（林带6、8，疏透度约36%）近地表防风效能值为10%，高疏透度林带（林带5、7，疏透度约54%）为5%。区域2位于林带后20H 范围内，3 cm 高度范围内，防风效能峰值出现在林带后1H 到10H 范围
第5期 赛 克等：干旱半干旱区落叶期农田防护林防风效果的风洞试验研究
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内近地表处，高疏透度林带可达15%～20%，低疏透度林带可达20%～30%；随着高度的增加，区域2内防风效能值快速降低，在3 cm 高度处降低至5%以下。区域3位于林带后10H 距离内，5～20 cm 高度范围中，防风效能出现负值，风速有一定程度的增加。除了前3个区域以外的其他区域为区域4，风速相比对照没有明显变化，林带对该区域气流影响不大。
2.2.2 不同结构林带防风效能水平分布特征
农田防护林的主要防护对象是位于地表的农田生态系统，因此考察防护林在近地表范围内的防风效能具有重要意义。不同结构林带防风效能的水平分布（图5）可以划分为：林带前减速区（区域1），林带后减速区（区域2），林带后风影区（区域3），林带后恢复区（区域4）。
乔木林带区域1位于林带前6H 距离内，风速平稳下降，穿过林带后到达区域2（林带后5H 距离内），
风速削减，防风效能大幅提高，随即在区域3内（林带后5H 之后）维持在一个相对比较高的水平上，形成较大范围的风影区域。林带2、4（疏透度较低，约45%）风影区防风效能可达22%以上，其中林带4（行距6 cm ，较宽）防风效能更高，可达27%；林带1、3（疏透度较高，约58%）风影区防风效能可达16%～20%，不同行距林带差别不大。
图4 不同结构林带防风效能垂直分布（中轴断面；风向从左至右）
大锅天线
Fig.4
Vertical distribution of shelter efficiency of shelterbelts of different structures (middle axis section; wind from left to right)
图5 不同结构乔木林带防风效能水平分布（高度：2 cm ；风向从左至右）
Fig.5 Horizontal distribution of shelter efficiency of shelterbelts of different structure (height: 2 cm; wind from left to right)
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